低温冷表面结霜性能实验研究及应用

张 柳，席细平

(1.唐山学院，063000，河北，唐山;2.江西省科学院能源研究所，330096，南昌)

0 引言

结霜是大自然存在的普遍现象，当物体表面的温度低于空气的露点温度，水蒸气就会在表面发生凝结，冷表面的温度继续降低，就会发生结霜。结霜现象广泛存在于冰箱、空气源热泵、冷库、低温工程等各个领域，为我们的生活及生产带来了很多不利的影响[1－2]。存在于换热盘管的霜层，随着霜层厚度的增加，不仅影响盘管换热，除霜时还会带来能耗的增加，严重时影响系统的正常运行。

结霜一直是制冷空调领域中难题之一，为此国内外学者们做了大量研究。首先需了解霜层自身的生长特性，才能采取措施来抑制结霜。对结霜研究的方法主要有理论研究[3]、数值模拟[4]、实验研究。其中实验研究是研究冷表面结霜的重要方法，主要通过微观及宏观手段，观测霜层生长状况及影响霜层形态。而实验室试验一般在常温下进行，能够进行的实验次数少，受环境因素影响，温度、湿度基础数据单一，从而对产品的性能不能取得全面、深入的了解。而且在以往实验[5－6]中，都是用半导体制冷片进行制冷，通过温控开关进行控温，控制精度较差。本文提出一种用于冷表面结霜的实验系统，可通过改变环境温湿度、冷表面温度，研究冷表面结霜的生长特性。通过显微镜可观测冷表面结霜的微细观结构。

1 实验系统组成

冷表面结霜的实验系统由3个部分组成，包括成霜系统、数据采集系统和焓差室，实验系统示意图如图1所示。

图1 实验系统图

成霜系统包括低温恒温水槽、水冷板、管道系统。低温恒温水槽可制备低温冷水，其最低制冷温度为－40℃，低温恒温水槽与水冷板通过供回水管连接。冷表面为铝制水冷板，水冷板内部水通路为M型，可较为均匀地传递热量。水冷板表面可经过打磨处理或喷涂涂料作为实验表面使用，也可在水冷板表面用导热硅脂粘贴试样。管道系统由分集水器、塑料软管、硅胶管组成，水管及分、集水器均做保温处理，分水器中一路设有1根T型热电偶，用来测量供液温度。

数据采集系统包括数据采集仪、计算机、显微镜、CCD摄像机。通过显微镜可以观察霜层的生长状况，并通过CCD摄像机记录，传输至计算机中，每隔30 s保存1次图像。

整个实验在焓差室内进行，焓差室分为房间1和房间2，水冷板、显微镜和CCD摄像机放在房间1中，计算机、数据采集仪以及低温恒温水槽放在房间2中，有效防止了低温水槽冷凝器散热及计算机散热影响房间1中的温度分布。房间1内可调节室内的温湿度。

2 实验过程

1)运行焓差室及低温恒温水槽。设定焓差室控制面板的温度设定值及湿球温度设定值。打开焓差室的空调系统;同时开启低温恒温水槽，调节冷液温度设定值。运行约1 h后系统达到稳定。

2)显微镜调焦。观察冷表面表面特征时，采用40倍物镜和10倍目镜(实际放大倍数为400倍)。观测霜层生长状况时，采用20倍物镜和10倍目镜(实际放大倍数为200倍)。先调节显微镜，使计算机中清晰显示试样图像。

3)试样表面保持清洁，并用保鲜膜将试样表面覆盖，以防冷液在未达到设定值前试样表面已经结露或者结霜。

4)撕开保鲜膜，用显微镜观测试样表面结霜情况。

3 实验结果与分析

实验中采用的试样为喷涂环氧树脂的水冷板。水冷板的尺寸为120 mm×40 mm×12 mm，水冷板四周均喷涂环氧树脂。改变环境温度、湿球温度设定值及冷液温度设定值，观察霜晶生长状况。

3.1 结霜实验

环境工况为:环境温度10℃，相对湿度60%(换算为湿球温度是6.5℃)，供液温度为－5℃。选取实验进行的时刻为1 min、3 min、5 min、10 min的照片进行对比，如图2所示。在结霜实验初始阶段，几乎观测不到水珠的形成，实验进行至30 s则会在环氧树脂冷表面形成霜层。结霜初期会在试样划痕处率先结霜，以此为中心，周围陆续结为霜晶。随着时间的进行，约10 min后试样表面霜层全覆盖。根据凝结成核理论，在冷表面处随机分布着凹坑、划痕，这些区域被称为活化中心。空气与冷表面接触时，由于表面温度较低，会在活化中心处形成微小液滴。液滴不断长大，发生合并，随着温度的继续降低，液滴发生冻结。冷表面结霜是一个复杂的现象，不仅存在液化、冻结过程还伴随着凝华。

图2 环氧树脂表面结霜情况

3.2 冷液温度及环境温度对霜层生长的影响

霜层的生长不仅与冷表面的性质有关，还与冷液温度及环境温度有关。如图3所示，改变冷液的温度时试样表面结霜过程。环境温度设定值为10℃，相对湿度设定值60%(换算为湿球温度是6.5℃)，冷液温度设定值分别为－10℃、－5℃。从图3中可以看出，冷液温度降至－10℃时，霜晶生长明显加快，霜晶的密集程度增加，且较冷液温度为－5℃时粒径变小。10 min后的霜层厚度明显比冷液温度为－5℃时大。这说明了冷液温度降低，空气与试样表面的温差加大，换热增强，在试样表面发生相变加剧。

图3 改变冷液温度设定值冷表面结霜情况对比

如图4所示为改变环境温度时试样表面结霜过程。将实验工况变为环境温度5℃，相对湿度60%(换算为湿球温度是2.1℃)，冷液温度为－5℃。从图4中可以看出，环境温度为5℃时，霜晶生长较为缓慢;10 min时，环境温度为10℃的冷表面霜晶覆盖全视角，并且随着时间的进行霜层厚度逐渐增加。这是因为当环境温度降低时，空气中容纳水蒸气的能力降低，在空气相对湿度不变的情况下，5℃下的空气含湿量低，因此霜晶生长缓慢。

图4 改变环境温度设定值冷表面结霜情况对比

4 结论

本文搭建了冷表面结霜实验系统，并将其应用到观测喷涂有环氧树脂涂层表面的结霜情况。可通过改变环境工况及冷液工况，观察环氧树脂表面霜晶大小及疏密程度变化。实验结果表明，环氧树脂表面凹坑、划痕最先结霜;冷液温度和环境温度对冷表面结霜有很大影响，冷液温度越低，霜晶形成粒径较小且密集，霜晶生长较快;环境温度越低，由于空气中含湿量较低，霜晶生长缓慢。